空氣彈簧系統的結構和垂向特性研究

張配

關鍵詞：空氣彈簧系統 組成 工作原理 垂向特性

1 引言

隨著我國動車組運行速度的提高，人們對列車運行安全性的要求也越來越高。

保障動車組行車安全的最關鍵技術為高速動車組轉向架，其在列車運行中具有承載、導向、牽引、制動等作用，直接影響輪軌作用力與車輛的運行品質，而轉向架的動力學性能直接取決于懸掛系統。目前，動車組采用的懸掛系統由一系懸掛系統和二系懸掛系統組成，如圖1 所示。其中，一系懸掛系統由鋼彈簧和油壓減振器組成，初步隔離輪軌之前的高頻振動傳向轉向架;二系懸掛由空氣彈簧系統組成，阻止了高頻振動由轉向架傳向車體，使乘客乘坐舒適性明顯提高。所以研究空氣彈簧系統的結構特點和垂向特性尤為重要。

2 空氣彈簧系統的組成

空氣彈簧系統由空氣彈簧本體、附加空氣室、高度控制閥和差壓閥等組成，如圖2所示。兩個空氣彈簧分別坐落在構架左右兩側的側梁上，對于無揺枕的轉向架，構架的測梁或者橫梁的部分密閉空腔用作附加空氣室，擴大空氣彈簧內容積。高度控制閥安裝在車體和轉向架之間，主要是用來控制空氣彈簧的高度，從而調整車體的高度。它有三個通氣孔，分別和空氣彈簧、大氣、列車管相通。差壓閥安裝在兩空氣彈簧之間，當兩空氣彈簧的壓差達到150Kpa 時，差壓閥內部通道自動打開。

2.1 空氣彈簧本體的結構

空氣彈簧本體由橡膠氣囊和應急橡膠彈簧組成，橡膠氣囊內的空氣因為可壓縮性可實現車體的減振效果，應急橡膠彈簧和實現車體的緩沖效果。空氣彈簧有三種結構類型：囊式、約束膜式、自由膜式。囊式和約束膜式的性能較差，主要應用在低速列車上。自由膜式的具有較低的垂向、橫向、縱向剛度，并且具有較大的抗扭轉變形能力，因此，國內動車主要采用自由膜式，自由模式的結構如圖3 所示。

2.2 高度控制閥的結構

高度控制閥一般由高度控制結構、進排氣機構和延時機構等三部分組成，如圖4 所示。高度控制機構主要包括連桿套筒、連桿和主軸等組成，主要完成進排氣的控制作用。進排氣機構主要由閥體、過濾網、空氣節流閥、進氣閥體、進氣閥、排氣閥體、排氣閥等組成，通過控制結構的控制即打開或關閉進氣閥、排氣閥來完成進排氣作用。延時機構主要由吸入閥、缸蓋、緩沖彈簧、彈簧支架和減振器支架等組成，以硅油做阻尼劑，使空氣彈簧在正常的振動情況下不發生進排氣動作。當車體載荷增加時，空氣彈簧高度降低，此時控制結構的連桿向上動作，帶動主軸向左旋轉，一定時間以后，進氣閥打開，列車管中的壓縮空氣進入空氣彈簧，使空氣彈簧高度恢復到規定值。當車體載荷減少時，主軸向右旋轉，排氣閥打開，空氣彈簧內的壓縮空氣排向大氣，使空氣彈簧高度恢復到規定值。

2.3 差壓閥的結構

差壓閥是保證一個轉向架兩側空氣彈簧的內壓差不能超過保證行車安全規定的某一定值的裝置，由閥體、閥座、單向閥、彈簧、接頭、密封件、過濾網、擋圈、活節等組成，如圖5 所示。當壓差在規定范圍內時，左右兩側單向閥均緊貼閥座，通道關閉。若左側空氣彈簧發生泄漏，則右側單向閥緊貼閥座，右側氣壓較大的壓縮空氣推動左側的單向閥離開閥座，通道打開，右側空氣彈簧的壓縮空氣開始流向左側空氣彈簧。

3 空氣彈簧系統的工作原理

靜載荷下，當乘客增加車體高度下降，高度調整桿感受到車體高度發生變化，來自列車管的壓縮空氣通過高度控制閥對空氣彈簧進行充氣，使空氣彈簧的高度恢復到設定位置。當乘客減少車體高度上升，空氣彈簧的壓縮空氣通過高度控制閥的排氣孔排向大氣，使空氣彈簧高度降低。為了避免由于車輛行駛產生的正常振動，而使高度控制閥不斷的進行充排氣，高度調整閥設有延時機構，不敏感區一般為10mm 左右，當車體在此范圍之內振動時，高度控制閥不動作。

動載荷下，即列車行駛過程中產生振動造成的動載荷，空氣彈簧和附加空氣室之間氣體流通，當氣體流過安裝在空氣彈簧和附加空氣室之間的節流孔時，產生阻力耗散振動動能，從而減小車體振動。

正常工況下，差壓閥處于關閉狀態，左右兩側空氣彈賛不連通;若一側空氣彈簧漏氣，左右兩側空氣彈簧的壓差超過差壓閥的閾值，差壓閥自動打開，左右兩側空氣彈簧連通，壓差減小。

4 空氣彈簧系統的垂向動態特性

（1）空氣彈簧體積越大，動態剛度和動態阻尼越小，并且呈線性[1，2]。

（2）動態剛度隨附加空氣室體積的增加而下降，并且變化率逐漸減小，當附加空氣室體積大于70L 時，動態剛度基本不再發生變化;但是動態阻尼隨著附加空氣室體積的增加而近似線性增加[1，2]。

（3）動態阻尼隨著節流孔直徑的增加而減小，但動態剛度隨著節流孔直徑的增加不發生變化[1，2]。

5 整車垂向平穩性

（1）隨著空氣彈簧體積的增加而增加。當空氣彈簧體積增加時，動態剛度減小，從而增加了空氣彈簧的隔振作用，則車體平穩性增加，所以在條件允許的情況下，應盡可能的選擇體積較大的空氣彈簧[3]。

（2）當車速小于350km/h 時，附加空氣室的體積大于20L，則車體的穩定性較大，切隨著附加空氣室的體積的增加基本不變。當車速為450km/h 時，則需附加空氣室的體積大于35L。所以，為了提高車體在高速下的平穩性，附加空氣室的體積最少為35L[1，2]。

（3）當節流孔直徑小于20mm 時，直徑越大，車體穩定性越好。當節流孔直徑大于20mm 時，在車速低的情況下，車體穩定性基本不變，但是當車速較高時，直徑越大，列車穩定性越差。所以，為了提高車體在高速下的平穩性，節流孔的直徑最好為15 ～25mm[4]。

6 結語

空氣彈簧系統雖然比普通的鋼彈簧結構復雜，但是該系統不僅可以自動調整車體高度，而且可提高車體穩定性，從而提升乘客舒適性。在條件允許的情況下，應盡可能的增大空氣彈簧和附加空氣室的體積，節流孔的直徑最好為15 ～ 25mm。